0. Inledning, motivation Atomresolutionsbild av korngräns på grafityta, tagen i Acceleratorlaboratorier vid Helsingfors universitet Fasta tillståndets fysik, Kai Nordlund 2015 1
0.1. Terminologi Hur definieras fasta tillståndets fysik? Det är inte helt enkelt, emedan grundbegreppen är inte väl definierade på engelska och därmed inte heller på svenska. På engelska: Solid state physics - Har lite gammal klang, som används numera mest för teori och i studier av elektroniska egenskaper hos fasta ämnen. Condensed matter physics - Utvidgning av det ovansstående: inkluderar sgs. alla studier av material i tät form, dvs. i vätskeeller fast form. - Vätskor och fasta ämnen är egentligen ganska liknande i många fall, och samma teorier kan i vissa fall användas att beskriva båda. - Den dominerande termen nuförtiden Fasta tillståndets fysik, Kai Nordlund 2015 2
Materials Science - Materialvetenskap: i t.ex. USA och Tyskland används denna term för att beskriva materialforskning och -ingenjörskonst, och klassificeras ofta som en självständig vetenskapsgren vid sidan om fysik och kemi. - Flera stora universitet i USA har institutioner för Materials Science and Engineering (typiskt gamla Department of Metallurgy and Mining). Materials Physics - En hybrid av Condensed Matter Physics och Materials Science, kunde också sägas känneteckna de mer fysikaliskt betonade delarna av Materials Science, i motsats till de kemiska och ingenjörsaspekterna. Det finns ingen exakt definierad skillnad mellan condensed matter physics och materials physics, men oftast kallas mera tillämpade aspekter för materials physics, och vice versa. s På svenska: Solid State Physics Fasta tillståndets fysik eller Faststofffysik Fasta tillståndets fysik, Kai Nordlund 2015 3
Condensed Matter Physics Kondenserade materiens fysik - används inte speciellt mycket, låter lite underligt Materials Science = Materialvetenskap Materials Physics = Materialfysik På finska Solid State Physics Kiinteän olomuodon fysiikka Condensed Matter Physics Tiiviin aineen fysiikka eller Kiinteän olomuodon fysiikka Materials Science = Materiaalitiede Materials Physics = Materiaalifysiikka. Denna kurs kallas fasta tillståndets fysik, därför att grundteorin för nästan alla typer av materialfysik baserar sig på den klassiska fasta tillstånds teorin. Fasta tillståndets fysik, Kai Nordlund 2015 4
0.2. Lite historia Forskning kring material började främst med studier av metaller. Metallforskning i nuvarande vetenskaplig mening förekom aktivt redan på 1800-talet, och var givetvis i nära anknytning till gruvdrift. Först på mitten av 1900-talet började grundforskning kring andra typer av material bli allmännare, då nya former av halvledare och keramiska material började tillverkas. Och ännu litet senare, sedan kanske 1970-talet, började även material av organiskt ursprung komma med i bilden. I dag är forskning kring denna mjuka (kondenserade) materia extremt populär... Sedan 1980-talet kom också nanomaterial in i bilden. En viktig milstolpe nåddes är 1973 då Materials Research Society grundades i USA. Efter det har motsvarande societeter grundats i alla delar av världen; den europeiska EMRS grundades 1983. Dessa societeter strävar efter en interdisciplinär syn på materialvetenskap som kombinerar fysiker, kemister, biologer och ingenjör för att nå både grundforsknings- och teknologisk framgång. De är enligt min personliga erfarenhet trots sin relativt unga ålder mycket vitala societeter som lyckats tämligen väl i att nå sina mål. Deras största årliga möten (MRS fall meeting i Boston, Fasta tillståndets fysik, Kai Nordlund 2015 5
spring meeting i San Fransisco och EMRS Spring meeting i Strasbourg) har varje år ungefär 5000 deltagare i USA och 3000 i Europa. Dagens materialfysik har också en länk till kärnfysik, som bara delvis är vetenskaplig. Ett relativt stort antal av de nu aktiva materialfysikerna har börjat sin karriär som kärnfysiker, men sedan flyttat över till materialfysik. Detta kan ske tämligen naturligt i.o.m. att flera kärnfysikaliska effekter kan utnyttjas i mätningar i materialfysik. Fasta tillståndets fysik, Kai Nordlund 2015 6
0.3. Denna kurs Denna kurs behandlar fysikaliska grunder för hårda fasta ämnens mekaniska, elektriska och magnetiska egenskaper. ((WWW-sidan kursplan.html)) Notera att första 1/3 av kursen avviker avsevärt från kursboken, men efter det börjar materialet följa den närmare. Mjuka material behandlas egentligen inte. Men denna kurs innehåll är viktig också för dem, då teorin om deras funktion till stor del baserar sig på den klassiska teorin för hårda material. Fasta tillståndets fysik, Kai Nordlund 2015 7
0.4. Motivation Var i samhället kan man ha glädje av kunskaperna från denna kurs? Världen Materialvetenskap är en enorm bransch både teknologiskt och inom forskning. - T.ex. all halvledartillverkning (Intel, AMD, mm) grundar sig idag helt på forskning från de senaste 10-20 åren - Detta är en enorm marknad, ung. 300 miljarder dollar/år! - Mera traditionella industrier som metallindustri, flygplanstillverkning mm. Finsk industri - Outokumpu, Luvata jämte spin-off-firmor: mycket hög nivås tillverkning av rostfritt stål, kopparbaserade metallegeringar och supraledande kablar - Okmetic: tillverkar en-kristallina kiselskivor för halvledarindustrin Exempel på mindre firmor: Fasta tillståndets fysik, Kai Nordlund 2015 8
- SavCor coatings: högteknologiska ytbeläggningar - Micronas (el. dyl.): halvledare - ASM microchemistry: tunna filmer - Planar: flata skärmar Finsk forskning - VTT: mycket, bl.a. nanoteknologi, speciella metaller, hållfasthetslära mm. - Aalto: mycket, bl.a. halvledar-grundforskning och - tillverkning - Uni, kemen: utveckling av displayer för Planar, yt-tillväxt. - Uni, fysikum: Acceleratorlaboratoriet: jonstrålsbaserad materialforskning, materialvetenskap. Röntgenlabbet: materialforskning med röntgen-metoder. - Dessutom forskning åtminstone i Tammerfors, Åbo, Uleåborg, Joensuu, Kuopio I allmänhet är materialvetenskap en växande bransch både inom forskning och industri. I Finland har den varit lite svagt representerad på grundforskningsnivå, men har växt starkt under de senaste 20 åren. Fasta tillståndets fysik, Kai Nordlund 2015 9